光与物质之间的相互作用是现代光子学发展的基石，其时空精准性为材料重构提供了独特手段。然而，实现动态的“光-结构-光”反馈循环仍面临重大挑战：光驱动结构演化常引入缺陷破坏光学功能；光往往仅作为结构起始信号，缺乏结构对光传播的动态调控；此外，能量耗散、动力学亚稳态等问题也制约着多功能集成系统的实现。怎么来实现结构演化与光学反馈之间的双向互动，成为设计智能光响应材料的关键难题。

  近日，上海交通大学姜学松教授、徐梦达博士合作提出了一种光诱导自适应性生长策略，能够在全氟磺酸离子聚合物薄膜中，按需工程化构建多尺度有序光子晶体结构。该研究通过将蒽功能化的季铵盐引入聚合物基质，利用紫外线触发蒽的光二聚化反应，引发局部相分离，并驱动纳米粒子沿光传播路径定向聚集生长。由此形成的纳米粒子柱状结构，其垂直或倾斜的构型可由入射光角度程序化控制，从而建立起一个双向反馈循环：不断生长的结构调制光传播，进而引导后续生长。该策略克服了传统光子晶体的静态局限，为创建可编程光子架构提供了一个通用平台。相关论文以“Light-induced self-adaptive growth of photonic crystal structures in perfluorosulfonic acid ionomer films”为题，发表在

  研究团队首先阐明了这一多尺度有序结构的构建策略（图1）。在全氟磺酸聚合物薄膜中，引入含蒽基团的季铵盐后，铵离子与磺酸离子通过超分子相互作用形成离子簇。在80°C下用365nm紫外光照射，蒽的二聚化触发离子簇聚集，形成纳米粒子。随着光照时间延长，相分离逐步发展，形成更大的纳米粒子。由于蒽衍生物与聚合物基质间的折射率差异，相分离区域形成了一个光学波导，后续粒子优先沿光照方向生长，最终形成光子晶体粒子柱结构。利用光掩模选择性地控制照射区域，研究人员成功在薄膜内部制备了垂直或倾斜的微米级光栅结构，甚至通过宏观掩模在同一薄膜层中制造了不同取向的粒子柱，实现了对互补结构色彩图案观察角度的精确控制。

  图1. 薄膜内紫外诱导多尺度有序结构自适应生长示意图。 a 紫外光控制的光子晶体粒子柱结构生长。b 薄膜组分分子结构及其间的超分子相互作用。c 光子晶体粒子柱自适应生长机制示意图。d 薄膜内部构建的微米级垂直光栅（上）和倾斜光栅（下）的3D荧光分布图。比例尺：10 µm。e 由薄膜内不同模式的粒子柱结构控制的互补光子晶体图案及相应的3D荧光分布图。中间比例尺：1 cm，左/右比例尺：5 µm。

  为了揭示纳米粒子的自适应生长机制，团队深入研究了其生长动力学（图2）。超分子相互作用是生长的基础。动态热机械分析追踪了薄膜玻璃化转变温度的变化，揭示了光诱导纳米粒子演化过程中的分子链动力学。荧光光谱分析意外地发现，光照初期荧光强度快速增加，这是由于紫外线照射部分破坏了蒽基团因π-π堆积导致的聚集诱导猝灭效应。一系列实验表明，自适应生长的粒子明显影响了薄膜的光学效应。粒子区域强烈散射光，呈现乳白色。随着紫外曝光时间延长，粒子区域的深度逐渐增加。紫外-可见反射光谱显示，经过紫外照射的薄膜在520nm处出现反射峰，表明粒子数量的增加增强了结构色。

  图2. 粒子生长机制与动力学。 a 不同紫外光照时间下PFSA和PFSA-An的AFM相位图。b 不同紫外曝光时间下PFSA和PFSA-An的玻璃化转变气温变化。c 不同紫外照射时间下PFSA-An薄膜在413 nm处荧光强度的变化。d 不同紫外照射时间下，PFSA-An薄膜截面中粒子区域梯度生长的光学照片（数值单位：µm）。e 紫外照射下PFSA-An薄膜的紫外-可见反射光谱变化以及样品在照射10分钟前后的照片。比例尺：1 cm。

  研究核心在于揭示了光与光子晶体粒子柱结构之间的双向反馈（图3）。结构演化严格沿光路发生，通过改变入射光角度，可以精确编程粒子柱的构型——垂直（模式I）或倾斜（模式II）。粒子柱如同光纤，将散射光限制在柱内，形成了“紫外光-粒子柱”的双向反馈循环，引导粒子柱沿光路有序生长。通过显微镜从不同视角观察证实，粒子柱的生长方向严格依赖于紫外光的照射方向。这种双向反馈使得结构能够持续适应，生长的柱状结构动态地影响光散射模式。激光散射图案与粒子柱方向直接相关，通过一系列分析散射图案即可判定粒子柱的具体取向模式。

  图3. 紫外诱导光子晶体粒子柱结构的自适应生长。 a 紫外诱导粒子柱生长的两种模式。b 模式I粒子柱在不同平面（X-Z平面和Y-Z平面）分布的SEM图像。比例尺：5 µm。c 模式II（45°）粒子柱在不同平面（X-Z平面和Y-Z平面）分布的SEM图像。比例尺：5 µm。d 模式I下，不同紫外曝光时间粒子柱生长的长度（∆L）变化及相应的激光散射图案。激光垂直于样品表面。结果为平均值±标准差，n = 3。e 模式II（45°）下，不同紫外曝光时间粒子柱生长的高度（∆H）变化及相应的激光散射图案。激光垂直于样品表面。结果为平均值±标准差，n = 3。f 模式I样品的激光散射测试方法及不同旋转角度下光散射图案的变化。θR 代表入射激光的旋转角度。g 模式II（45°）样品的激光散射测试方法及不同旋转角度下光散射图案的变化。θR 代表入射激光的旋转角度。

  基于上述可控生长，研究团队成功制备了图案化的光子晶体结构（图4）。利用掩模辅助的紫外光控制，基于模式I的PC结构显示出不同的光学图案和清晰的边界。数字灰度掩模甚至可产生具有3D效果的复杂图案。这种自适应生长机制使内部粒子结构沿紫外光方向有序排列，产生不完全光子带隙，仅沿有序轴方向反射光，从而呈现结构色。因此，薄膜在不同观察角度下显示出角度依赖性的结构色彩。通过结合模式I和模式II，研究人员在同一薄膜中集成了取向不同的双PC结构，实现了从两个视角（0°和45°）观察结构色，为多维、多角度、多层级光学图案的应用奠定了基础。

  图4. 基于光子晶体粒子柱的结构色彩图案控制。 a 紫外光控制下的不同色彩图案。比例尺：0.25 cm。b 由沿紫外光照射方向有序排列的粒子产生的不完全光子带隙选择性反射光的示意图。c 在同一薄膜面的两侧构建具有两种角度的粒子柱以产生互补结构色彩图案。比例尺：1 cm。d 在薄膜两侧各自构建具有两种角度的粒子柱，并在薄膜一侧不同角度观察到两种不同的结构色彩图案。比例尺：1 cm。

  进一步地，研究团队探索了光子晶体型光栅结构的构建与应用（图5）。采用更高分辨率的光掩模，成功在薄膜内部制备了间距为5微米的光栅结构。利用不同的条纹掩模和图案，能定制包括条纹、点阵和环形在内的各种光栅。这些光栅结构将透射光分成双虚拟图像，显示出在定向成像中的应用潜力。更有趣的是，当白光以一定角度入射到具有垂直排列PC粒子柱的薄膜表面时，含粒子柱的区域主要体现出无序散射和反射，而不含粒子柱的图案区域则因符合布拉格定律而发出衍射光，产生生动的彩虹色。研究还展示了如何利用材料的形状记忆效应，与PC光栅的生动结构色协同，实现信息的可擦写与重构，例如将二维码写入薄膜，并通过拉伸和恢复薄膜来控制其可读性。

  图5. 紫外诱导的光子晶体型光栅结构。 a 垂直PC光栅样品（上）和倾斜PC光栅样品（下）截面的光学显微照片。左比例尺：10 µm，右比例尺：50 µm。b 10 µm条形PC光栅、3 µm条形PC光栅、10 µm点阵PC光栅和5 µm环形PC光栅的光学照片。图片共享同一比例尺：10 µm。c PC光栅结构色原理示意图。θi 代表入射光角度。d 代表PC光栅间距。d 通过将宏观图案掩模与光栅图案掩模叠加，创建具有不一样结构色的图案。e 不同色彩图案的PC光栅照片。图片共享同一比例尺：1 cm。f 具有垂直PC光栅的样品在不同角度下的透射光谱及相应的结构色变化光学照片。θs 代表薄膜的旋转角度。g 通过形状记忆效应扰乱和恢复PC光栅型二维码图案。比例尺：1 cm。

  这项研究开创了一种光驱动的按需制造可重构光子晶体的策略，并实证了结构演化与光学反馈之间的双向互动。在这里，光不仅引发相分离，还通过实时调制纳米粒子聚集来引导结构排列。更重要的是，演化的PC结构动态地改变光传播，形成一个反馈循环来优化后续生长模式，这是传统静态PC所不具备的特性。这种双向互动促进了角度特异性结构色和功能性PC光栅的制备。该研究为自适应光子系统建立了一个基础框架，对可重构光学和响应性材料设计具有广泛意义。